Новый антивирусный механизм защиты бактерий прерывает инфекцию, химически модифицируя mRNA
Бактерии, как и люди, могут заболевать и бороться с вирусными инфекциями. Бактериофаги (фаги) — одни из самых распространённых форм жизни на Земле. Между фагами и бактериями идёт постоянная борьба.
Исследование Лаборатории Лауба (MIT), опубликованное в Nature, описывает новую антифаговую систему защиты бактерий — CmdTAC. Эта система предотвращает вирусную инфекцию, изменяя одноцепочечную молекулу messenger RNA (mRNA), которая используется для производства белков.
Система обнаруживает фаговую инфекцию на этапе, когда вирус уже захватил клеточные механизмы хозяина. В ответ обречённая бактерия активирует защиту, которая останавливает трансляцию (создание новых белков) и прерывает инфекцию, но при этом обрекает саму клетку на гибель.
«Когда бактерии находятся в группе, они похожи на многоклеточный организм. Эволюционно выгодно, чтобы одна клетка убила себя, чтобы спасти другую идентичную клетку. Это как самопожертвование», — говорит Кристофер Вассалло, соавтор исследования.
Фермент, ответственный за модификацию mRNA, — ADP-ribosyltransferase. Хотя известно сотни таких ферментов, и лишь некоторые из них нацелены на ДНК или РНК, это первый случай, когда подобный фермент был охарактеризован как нацеленный именно на mRNA внутри клеток.
Расширение понимания антифаговой защиты
CmdTAC — это подвид широко распространённого механизма защиты toxin-antitoxin (TA) система. Это система «токсин-антитоксин», где токсин способен убивать или изменять процессы клетки, но нейтрализуется связанным с ним антитоксином.
Чтобы понять систему защиты, нужно ответить на два вопроса: Как бактерия обнаруживает инфекцию? и Как она реагирует?
Обнаружение инфекции
CmdTAC — это TA-система с дополнительным компонентом. Три компонента обычно существуют в стабильном комплексе:
Токсин CmdT
Антитоксин CmdA
Шаперон CmdC (дополнительный компонент)
Если присутствует белок капсида фага, CmdC отсоединяется от CmdT и CmdA и взаимодействует с этим вирусным белком. Таким образом, шаперон CmdC действует как сенсор, распознающий начало инфекции. Структурные белки вируса, такие как капсид, — распространённый триггер, так как они многочисленны и необходимы фагу.
Отсоединение CmdC делает антитоксин CmdA уязвимым для деградации. Это высвобождает токсин CmdT, который начинает свою летальную работу.
Действие токсина
Исследователи с помощью вычислительных инструментов определили, что CmdT, вероятно, является ADP-ribosyltransferase. Этот фермент переносит ADP-рибозу на свою мишень.
Эксперименты с короткими последовательностями одноцепочечной РНК (основания: A, U, G, C) показали, что фермент, по-видимому, распознаёт последовательности GA.
Модификация CmdT последовательностей GA в mRNA блокирует их трансляцию. Прекращение синтеза новых белков прерывает инфекцию и не даёт фагу распространиться на другие бактерии.
«Это не только новый тип бактериальной иммунной системы, но и фермент, который делает то, чего раньше никогда не видели: ADP-рибозилирование mRNA», — отмечает Вассалло.
Хотя в работе описаны общие черты системы, остаются неясными детали: как именно CmdC взаимодействует с белком капсида и как химическая модификация последовательностей GA предотвращает трансляцию.
Значение за пределами бактерий
ADP-ribosyltransferase имеет гомологи (похожие белки) у эукариот, включая клетки человека. Эти белки плохо изучены, но известно, что их активность повышается в ответ на вирусную инфекцию.
«Существует так много разных — и крутых — механизмов, с помощью которых организмы защищаются от вирусной инфекции. Идея о том, что может быть общность между защитой бактерий и защитой человека, — заманчивая возможность», — говорит старший автор работы Майкл Лауб.